Por David Nutt
A forma como os insetos e os pássaros batem as asas pode parecer fácil, mas a dinâmica que os mantém no ar é vertiginosamente complexa e difícil de quantificar.
Os pesquisadores da Cornell criaram um modelo computacional que mostra o efeito da morfologia dos insetos na estabilização de seu voo. As descobertas podem levar a uma nova forma de compreender a evolução do voo dos animais, ao mesmo tempo que fornecem um modelo para a concepção de robôs com asas agitadas.
O estudo publicado em 1º de maio em Anais da Academia Nacional de Ciências. A pesquisa foi liderada por Z.Jane Wangprofessor de física e engenharia mecânica e aeroespacial na Faculdade de Artes e Ciências e na Faculdade de Engenharia Cornell Duffield, respectivamente.
O esforço começou há mais de uma década, quando Wang se propôs a compreender como os circuitos neurais das moscas-das-frutas evoluíram para controlar a estabilidade do voo. Ao criar uma simulação computacional 3D, a equipe de Wang mostrou que moscas-das-frutas sentem a orientação de seus corpos cada vez que batem as asas, cerca de uma batida a cada 4 milissegundos, para se estabilizarem.
No entanto, para estudar a estabilidade do voo em todos os insetos, os pesquisadores precisariam construir uma ferramenta computacional eficiente para simular um grande número de espécies.
“Estudos anteriores, incluindo o nosso, sempre começaram com modelos de insetos reais, por isso estamos limitados pelas coisas que observamos”, disse Wang. “Sentimos falta de todas as outras configurações que também são possíveis para o voo.”
Wang e Owen Wetherbee, o primeiro autor do novo artigo, destilaram o modelo 3D em uma nova versão que manteve a física chave do acoplamento corpo-asa e da aerodinâmica instável. As equações resultantes revelaram os parâmetros físicos críticos: relação entre asa e massa corporal, carga da asa, posição da dobradiça da asa, frequência de batimento da asa e amplitude de movimento da asa. Juntos, eles formam o que Wang chama de “espaço morfológico e cinemático de cinco dimensões”.
“O poder deste modelo é nos dar algo muito mais explícito do que tínhamos antes”, disse ela. “Conhecíamos a física basic. Ao capturar a física essencial no novo modelo, podemos compreender cada peça conceitualmente, bem como facilitar a computação para explorar um grande espaço de parâmetros.”
As análises dos resultados computacionais em 5D resultaram em duas fórmulas explícitas que fornecem uma métrica sucinta de estabilidade. Esses critérios capturam o acoplamento sutil e muitas vezes ignorado entre a inércia da asa e o corpo, que depende da interação entre a frequência do flap da asa, o posicionamento das dobradiças e as relações de massa da asa e do corpo, a fim de alcançar uma espécie de estado anti-ressonância. Este ponto ideally suited permite que o animal alado controle as oscilações do corpo e permaneça no ar – um estado conhecido como voo passivamente estável – apesar das perturbações do ar que normalmente o fariam tombar.
“De repente, descobrimos que muitas formas de voo oscilante têm estabilidade passiva, o que nos surpreendeu inicialmente, porque os trabalhos até agora mostraram que a maioria dos insetos, exceto um ou dois, são passivamente instáveis, daí a necessidade de circuitos neurais para controlá-los”, disse Wang. “Mas quando expandimos o espaço morfológico, percebemos que o que estudamos antes são apenas alguns pontos nesta nova visão.”
Agora que os pesquisadores podem caracterizar o limite de estabilidade, eles podem oferecer um princípio de projeto concreto para realizar voos oscilantes estáveis em robôs – algo que tem deixado os roboticistas perplexos há décadas.
“Em princípio, isso oferece um caminho completamente novo para projetar uma máquina robótica com asas oscilantes”, disse Wang. “Em vez de depender de um extenso controle de suggestions, que é apenas parcialmente bem-sucedido, nossos resultados sugerem que podemos ajustar a forma e a frequência dos dispositivos de oscilação de modo que, de acordo com essas duas regras, possamos descobrir que os voadores já estão passivamente estáveis. Isso simplificaria bastante o controle de voo.”
O novo modelo permite que este trabalho de design seja feito com computação mais rápida e simples, e a capacidade de modelar características de estabilidade também aponta para uma nova forma de classificar animais alados e traçar a sua evolução.
“Durante a evolução, várias características são selecionadas, mas não temos muita ideia sobre o que são, muito menos entender por que estão sendo selecionadas e como evoluem, exceto alguns poucos exemplos, como um olho”, disse Wang. “Este projeto traz novos métodos quantitativos para estudar essas grandes questões tanto na biologia quanto na robótica. A modelagem matemática nos permite ir além de nossas próprias ideias e preconceitos para enfrentar essas grandes questões.”
A pesquisa foi apoiada pela Nationwide Science Basis.
Universidade Cornell